Introduction
La peau, le plus grand organe du corps humain, joue un rôle essentiel dans la protection de l'organisme contre les agressions extérieures, la régulation thermique et la réception sensorielle. Comprendre son origine embryonnaire est crucial pour mieux appréhender son fonctionnement, son développement et les anomalies qui peuvent survenir. Cet article explore en profondeur l'origine embryonnaire de la peau, depuis les premières semaines de la vie in utero jusqu'aux avancées récentes en matière de création de peau en laboratoire à partir de cellules souches embryonnaires.
Développement Embryonnaire de la Peau
Formation des Tissus Primordiaux
Au cours des premières semaines de la vie embryonnaire, l'embryon en formation fabrique deux types de tissus primordiaux : l'ectoderme et le mésoderme. L'ectoderme, le feuillet embryonnaire donnant naissance à la peau et au système nerveux, se transformera à terme en épiderme, la couche la plus superficielle de la peau. Le mésoderme, quant à lui, se différenciera en derme et hypoderme.
Différenciation des Couches Cutanées
Si l'on regarde la peau en coupe, on trouve de haut en bas :
- L'épiderme : un empilement de cellules (kératinocytes).
- Le derme : un réseau de tissus fibreux.
- L'hypoderme : une couche de gras destinée à isoler notre corps et à protéger les muscles et les os. Ce nom est donné à la couche la plus profonde du derme caractérisée par sa richesse en lobules graisseux.
Dès la délimitation de l’embryon, à la 4° semaine du développement, l’ectoderme circonscrit complètement l’embryon et va se transformer en épiderme au cours du développement tandis que les couches sous-jascentes (derme et hypoderme) se différencient à partir des éléments mésenchymateux provenant du mésoblaste.
Évolution de l'Épiderme
Au cours du 2° mois du développement, l’épithélium simple d’origine ectodermique est le siège de nombreuses divisions cellulaires. Au cours du 5° mois, la différenciation des cellules de la couche intermédiaire fait apparaître les cellules caractéristiques de l’épiderme appelées kératinocytes dont la stratification et l’évolution en plusieurs types cellulaires témoins de la kératinisation se précise pendant le dernier trimestre du développement fœtal.
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Rôle des Mélanocytes
Parallèlement, des cellules provenant des crêtes neurales, les mélanoblastes, migrent vers l'épiderme. Chez le fœtus, les mélanocytes naissent à partir de la crête neurale. La crête neurale fait partie de l’ectoderme qui est le feuillet embryonnaire donnant naissance à la peau et au système nerveux. Les mélanocytes migrent lors troisième mois de vie embryonnaire au-dessus de la partie inférieure de l’épiderme (la basale). Installés sur la partie basale de l’épiderme, les mélanocytes se multiplient.
Ces cellules spécialisées produisent le pigment foncé de la peau, la mélanine, qui protège contre les rayons UV. La différence de couleur de la peau s'explique par la qualité et la quantité de pigments que ces cellules produisent. Chaque mélanocyte contient 5 fois plus de mélanosomes chez un sujet asiatique que chez un individu de race blanche et 8 à 10 fois plus de mélanosomes chez un sujet noir que chez un blanc.
Dermatoglyphes
Au niveau des extrémités des membres (plante des pieds et pulpe des orteils, surtout paume de la main et pulpe des doigts) la surface de l’épiderme présente de fins bourrelets séparés de sillons qui dessinent des boucles, des arches et des volutes. Ces empreintes (dermatoglyphes), spécifiques pour chaque individu, dépendent de facteurs génétiques et mécaniques et sont fixées définitivement à partir de la fin du 5° mois de développement. Elles présentent un intérêt clinique (leurs anomalies peuvent être associées à certains syndromes dysmorphiques) et médico-légal.
Renouvellement de l'Épiderme
Jusqu’à la naissance, les cellules cornées de la couche superficielle de l’épiderme desquament en surface et constituent, avec la sécrétion des glandes cutanées. - Ultérieurement le renouvellement de l’épiderme est assuré par le maintien de l’activité mitotique de la couche basale (stratum germinativum).
Développement du Derme et de l'Hypoderme
Le tissu mésenchymateux, provenant du mésoblaste latéral somatique. A partir du 4° mois du développement, il est envahi par les ébauches des poils et des glandes sudoripares qui proviennent de bourgeonnements de l’épiderme.
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Anomalies de Développement
Des anomalies mineures du développement de la peau peuvent se révéler à la naissance en particulier les variations des plis palmaires et des dermatoglyphes (parfois associées à des dysmorphies) ou les anomalies de la pigmentation.
La Peau Après la Naissance : Renouvellement et Vieillissement
Nos cellules vont se renouveler tout au long de notre vie mais elles ne vont pas se fabriquer de la même façon. Au niveau de l'épiderme, la couche basale qui est la couche la plus profonde, est composée de cellules souches qui se renouvellent en permanence. Elles vont se différencier au fur et à mesure qu'elles remontent vers la surface pour arriver sur la couche la plus externe où s’accumule les cellules mortes. Par conséquent les cellules de l'épiderme remontent de bas en haut jusqu'à desquamer, c’est-à-dire qu’elles se détachent de façon invisible.
Le derme est constitué de fibres élastiques, d'acide hyaluronique, molécule qui garantit l'hydratation de la peau et de collagène qui assure son élasticité et sa robustesse. Fabriqués par des cellules appelées fibroplastes, elles vont les renouveler de façon optimale jusqu'à une trentaine d'années. À partir de 30 ans, le renouvellement est moins efficace, c'est à ce moment, que la peau commence à vieillir.
Lien Embryonnaire Entre la Peau et le Système Nerveux
Système nerveux et peau ont donc une origine embryonnaire commune : l’Ectoderme. Ce lien intime perdure toute notre vie. Notre peau dispose d‘un très grand nombre de terminaisons nerveuses qui lui permet de transmettre de nombreuses informations au cerveau. L’information circule également dans l’autre sens. Le système nerveux tient lui aussi notre peau au courant de notre état de stress. Les expressions populaires sont le reflet de cette étroite connexion comme « bien dans ma peau », ou encore « il me donne des boutons ». Un tel circuit peut s’emballer et devenir un cercle vicieux. En effet, la peau qui présente des imperfections comme de l’acné peut devenir notre propre ennemie. Le stress diminue la confiance en soi et augmente l’appréhension à aller vers les autres. Avoir une peau saine c’est être bien avec soi-même.
La Peau : Barrière et Écosystème
La peau constitue l’organe le plus grand du corps humain. La peau enveloppe l’ensemble du corps afin de le protéger. Elle constitue une barrière de protection de l’organisme contre le milieu extérieur. Sa première fonction est la défense contre les agressions extérieures. La peau est au contact avec l’extérieur et de ce fait avec tous les polluants de l’air et les produits chimiques que l’on applique.
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Usuellement, la peau est représentée par trois couches de tissus : épiderme, derme et hypoderme. Bien que naturellement présente à la surface de la peau, la flore cutanée a été longtemps ignorée. Cette flore également appelée microbiome, est en première ligne de défense contre les agressions extérieures. Les facteurs extérieurs comme la pollution, les nettoyages intensifs, etc., déséquilibrent le microbiome. Si votre bouclier naturel est fragilisé, votre peau se retrouve sans défense et des imperfections apparaissent. À l’inverse une flore équilibrée, c’est une peau, sans imperfection, moins agressée, qui se régénère mieux, qui vieillit moins.
Création de Peau en Laboratoire à Partir de Cellules Souches Embryonnaires
Un Nouvel Espoir Thérapeutique
Un groupe de biologistes français a annoncé avoir mis au point un procédé permettant de créer une forme de substitut cutané à partir de cellules souches embryonnaires humaines. C'est une première d'importance: créer de la peau humaine en laboratoire à partir de cellules provenant d'embryons humains détruits dans les premiers jours suivant leur création par fécondation in vitro.
Les Kératinocytes : Acteurs Clés
Ils expliquent, preuves à l'appui, avoir réussi à développer une nouvelle technique de fabrication de peau à partir de cellules souches embryonnaires humaines transformées in vitro en kératinocytes. Kératinocytes? On désigne ainsi les cellules qui constituent 90% de l'épiderme (couche superficielle de la peau) ainsi que des ongles, des cheveux des poils (et, dans d'autres espèces, des plumes et des écailles). Ces cellules ont -d'où leur nom- pour propriété de synthétiser la kératine, une protéine fibreuse et insoluble dans l'eau, qui permet à la peau d'être imperméable et d'assurer la protection de l'organisme vis-à-vis de l'extérieur.
Avantages des Cellules Souches Embryonnaires
Pédagogues les auteurs rappellent que les cellules souches embryonnaires humaines offrent l'avantage de pouvoir se multiplier de manière indéfinie et qu'il est possible d'obtenir in vitro leur différenciation dans tous les phénotypes cellulaires de l'organisme. Ce sont, on le sait, ces caractéristiques qui justifient les approches de thérapie cellulaire vis-à-vis de pathologie comme les maladies neurodégénératives de Parkinson ou de Huntington, le diabète ou l'insuffisance cardiaque après ischémie.
Méthode de Fabrication
Les chercheurs français ont ici travaillé à partir de deux lignées de cellules souches embryonnaires obtenues après destruction d'embryons humains et connues sous les dénominations de SA01 (Cellartis, Götenborg, Suède) et H9 (Wicell, Madison, USA) et cultivées durant 40 jours. Les cellules de peau ainsi obtenues ont été «semées» sur une matrice artificielle reproduisant les différentes strates d'un épiderme.
Perspectives Thérapeutiques
Prochaine étape: démontrer si cette peau créée à partir de cellules souches embryonnaires pourra effectivement fournir un substitut thérapeutique dans l'attente de la réalisation des autogreffes chez les grands brûlés. Dans un commentaire accompagnant cette publication les Dr Holger Schlüter et Dr Pritinder Kaur (Epithelial Stem Cell Biology Laboratory, Peter MacCallum Cancer Centre, Melbourne, Australie) saluent toute l'importance de ce travail qui, selon eux apporte bel et bien la «preuve de principe» que des greffes sont possible à partir de kératinocytes dérivés de cellules souches embryonnaires.
Alternatives et Défis Actuels
La fabrication de peau à partir de la mise en culture de cellules cutanées des grands brûlés a permis d'obtenir des résultats souvent thérapeutiques spectaculaires. Mais elle se heurte encore souvent aux délais nécessaires pour obtenir suffisamment de tissus cutanés pour recouvrir les lésions: une période généralement de trois semaines durant laquelle les patients sont exposés à des risques infectieux et de déshydratation. Pour tenter de fournir une solution à ce problème thérapeutique on a cherché à développer des sortes de matrices synthétiques inertes ou biosynthétiques. C'est dans ce contexte que s'inscrit le travail prometteur des chercheurs français.
Depuis des années, un énorme investissement dans la reconstitution de peau humaine en laboratoire a été entrepris, afin de soigner les grands brûlés, les ulcères chroniques ou encore les pathologies liées à des défauts de cicatrisation. Cependant, leur utilisation dans le domaine de la chirurgie est insatisfaisante du fait des problèmes de rejet de ces allogreffes. L’autogreffe d’épiderme consiste à effectuer une biopsie cutanée sur le brûlé, cultiver ensuite les kératinocytes et regreffer l’épiderme reconstitué sur le patient. Cette reconstitution d’épiderme est une solution idéale, car tout rejet immunologique est dans ce cas évité ; cependant, la réalisation de ces autogreffes reste un processus lent (il faut plus de trois semaines de culture pour obtenir un épiderme reconstitué de taille raisonnable) et coûteux. De plus, une des limitations des autogreffes est l’absence d’annexes cutanées. Or, la présence de follicules pileux et de glandes sébacées et sudoripares est nécessaire pour obtenir une peau fonctionnelle, souple et thermorégulée. Il est donc nécessaire d’intensifier les recherches sur la mise au point de substituts de peau plus efficaces afin de pouvoir remplacer les allogreffes de peaux de cadavres qui sont actuellement les meilleurs substituts cutanés.
Potentiel des Cellules Souches Embryonnaires en Médecine Régénératrice
De par leurs caractéristiques, les cellules ES représentent un énorme potentiel en médecine régénératrice tel que la réparation d’organes ou de tissus endommagés. La détermination des conditions permettant d’engager la cellule ES à se différencier en kératinocyte, pourrait fournir une culture de kératinocytes à partir de ces cellules indifférenciées et cela de manière illimitée. En effet, les cellules sont facilement manipulables génétiquement et semblent capables d’induire in vivo une immunotolérance exceptionnelle. Par ailleurs, la peau constitue un tissu accessible à la thérapie génique, et il existe des espoirs raisonnables de soigner certaines maladies héréditaires de la peau, les troubles de la cicatrisation, les désordres systémiques et les cancers de la peau par ces techniques. Le transfert de gène dans ces cellules souches est donc une voie de recherche très prometteuse.
Modèles d'Étude In Vitro
Les cellules souches embryonnaires (ES) sont capables de reproduire en culture les étapes majeures du développement précoce et sont donc un modèle de choix pour l’étude in vitro des mécanismes moléculaires mis en jeu lors des étapes successives d’une différenciation cellulaire et tissulaire. in vitro , thus providing a potentially unlimited supply of cells for cell-based therapy.
Nous avons récemment déterminé des conditions expérimentales permettant la différenciation de cellules ES murines en kératinocytes, éclairant le rôle du morphogène BMP-4 dans l’orientation binaire neuroectodermale, et permettant aussi de récapituler en culture les principales étapes du développement embryonnaire de l’épiderme et de reconstruire in vitro un épithélium cutané fonctionnel. Ce modèle cellulaire unique permettra de comprendre la morphogenèse cutanée, d’identifier les évènements moléculaires mis en jeu au cours de l’embryogenèse lors du dialogue épithélio-mésenchymateux et pour le maintien de la multipotence des cellules souches épidermiques adultes.
We recently reported the efficient derivation of ectodermal and epidermal cells from murine ES cells. These differentiated ES cells are able to form, in culture, a multilayered epidermis coupled with an underlying dermal compartment, similar to native skin. This model demonstrates that ES cells have the potential to recapitulate the reciprocal instructive ectodermalmesodermal commitments, characteristic of embryonic skin formation, clarifies the role of the morphogen BMP-4 in the binary neuroectodermal choice and provides a powerful tool for the study of molecular mechanisms controlling skin development and multipotent epidermal stem cell properties.
Facteurs Clés de la Différenciation Épidermique
L’épiderme embryonnaire provient du feuillet ectodermique alors que le derme sous-jacent est issu du mésoderme. Au cours de l’embryogenèse, les interactions entre les cellules issues du mésoderme et celles provenant de l’ectoderme sont capitales pour la mise en place des différents tissus [2]. Les études sur l’embryogenèse de Xénope ont prouvé l’effet inducteur ou répresseur de différents facteurs de croissance, facteurs nucléaires ou morphogènes [3]. Au stade de gastrula précoce, deux zones se démarquent au niveau de l’ectoderme, une première qui va donner le périderme puis l’épiderme et une deuxième qui va donner le neuroectoderme. Cette séparation se fait sous l’influence d’un gradient entre les différents facteurs dorsalisant (comme la noggine, la chordine et la follistatine) et le principal facteur ventralisant qui est le Bone Morphogenetic Protein-4 (BMP-4).
Un des facteurs qui joue un rôle clé dans l’établissement et le devenir des cellules souches épidermiques à partir de cellules ectodermales est le facteur de transcription p63, membre de la famille p53 [5]. Dans les souris déficientes en Trp63 , l’absence de p63 ne perturbe pas la formation de l’ébauche ectodermique unicellulaire mais de profonds défauts surgissent lors de la différenciation. En effet, l’épiderme de ces souris reste un épithélium simple dépourvu de stratification et de différenciation terminale [6]. Des travaux récents suggèrent que la différenciation et l’homéostasie épidermiques dépendent d’une balance subtile entre deux isoformes de p63, TAp63 et ∆Np63, codées par le même gène Trp63 [7].
Rôle de c-Myc et de la Voie Wnt
La production de souris transgéniques a permis d’identifier d’autres gènes directement impliqués dans la formation et le renouvellement de l’épithélium cutané, dans son maintien et dans l’engagement folliculaire et sébocytaire. Par exemple, l’activation transitoire de c-myc dans la couche basale provoque l’engagement massif des cellules souches épidermiques en cellules progénitrices à amplification transitoire et leur différenciation ciblée en kératinocytes épidermiques et sébocytaires au détriment du follicule pileux [8]. Le résultat est un appauvrissement en cellules souches, une réparation cutanée défectueuse et une perte progressive des poils. Il semble donc que les niveaux d’expression de c-Myc pourraient influencer le devenir des cellules souches épidermiques et également la multipotence de ces cellules.
L’expression constitutive de la bêta-caténine (voie de wnt activée) accélère la production massive de poils, aboutissant à la formation de pilocarcinomes, trichofolliculomes et pilomatricomes [9]. À l’inverse, en absence de bêta-caténine dans la couche basale cutanée, les cellules souches épidermiques ne se différencient plus en kératinocytes folliculaires [10]. De même, lorsque LEF1, le partenaire nucléaire de la bêtacaténine, est muté dans son domaine d’interaction avec la beta-caténine, la production et le maintien des poils sont abolis, au profit des glandes sébacées et éventuellement de la formation de tumeurs sébocytaires [11].
Différenciation In Vitro et Matrices Extracellulaires
En 1996, le groupe de F. Watt a démontré que les corps embryonnaires (CE), agrégats formés à partir de cellules ES cultivées en gouttes pendantes, récapitulent spontanément la différenciation cutanée embryonnaire avec l’apparition séquentielle des marqueurs épidermiques [16]. Après 15 jours de culture, la paire K8/K18 est exprimée par quelques cellules des CE, suivie quelques jours plus tard de la détection de colonies de kératinocytes positifs pour la cytokératine K14. L’absence d’intégrine β1 perturbe totalement cet engagement kératinocytaire in vitro mais ce défaut peut être efficacement corrigé par l’ajout du KGF et du FGF-10, deux facteurs solubles sécrétés par les fibroblastes dermiques [17]. Ceci confirme parfaitement la fonction inductrice du mésoderme sur la destinée ectodermale au cours du développement de la peau embryonnaire et chez l’adulte. Enfin, H. Green et collaborateurs ont montré récemment qu’un CE issu de cellules ES humaines reproduit la même succession de marqueurs spécifiques de l’engagement épidermique [18]. Cependant, ces différents travaux se basent sur une différenciation spontanée des cellules ES, sans tentative de déterminer la nature des stimuli nécessaires à un tel engagement
Dans un effort d’optimiser l’engagement kératinocytaire des cellules ES, nous avons testé l’influence éventuelle de matrices extracellulaires sur l’engagement kératinocytaire. Ces matrices sont produites par la culture sur lamelles de verre de lignées cellulaires ou de cultures primaires d’origine embryonnaire et/ou tissulaire différentes. Les cellules ES sont alors ensemencées sur ces « matrices acellulaires ». Nos résultats ont permis d’identifier des matrices à fort pouvoir inducteur d’origine mésenchymateuse, confirmant le pouvoir instructeur du mésoderme. L’ajout au 4ème jour de culture du morphogène BMP-4 synergise l’effet inducteur de la matrice mésenchymateuse, l’action conjuguée des deux inducteurs permet la différenciation efficace des cellules ES en kératinocytes dès le 8ème jour de culture [19, 20].
Rôle du BMP-4
De plus, nous démontrons un effet double du BMP-4 sur la population hétérogène : le morphogène induit la mort par apoptose des précurseurs neuronaux (sox1 positifs) issus de la différenciation des cellules ES tout en stimulant l’engagement ectodermal et épidermique des cellules survivantes. Cette mort neuronale dépend de l’activation de la voie des Smads et de ses gènes cibles, tels msx1/2 et Id-3, et passe par une atteinte mitochondriale conduisant à l’activation de la caspase-3 (Gambaro, Aberdam, Rouleau ; manuscrit soumis).
Au cours de cette différenciation in vitro , et à l’image du développement embryonnaire de l’ectoderme, une fraction des cellules exprime d’abord les cytokératines 8 et 18 (K8/K18), remplacées ensuite par les cytokératines 5 et 14, spécifiques des kératinocytes basaux [19, 20]. Deux lignées stables de cellules précurseurs des kératinocytes, caractérisées par une expression des cytokératines 8 et 18 et une absence des cytokératines 5 et 14, ont ainsi pu être isolées. Ces lignées n’expriment aucun marqueur d’ épithélia simples (hépatoblastique, pancréatique ou intestinal) connus pour exprimer, chez l’adulte, les cytokératines 8 et 18. Elles n’expriment plus les marqueurs spécifiques de cellules ES indifférenciées et elles ne forment pas de tumeurs lorsqu’elles sont injectées dans des souris nude . Leur caractère de cellules souches précurseurs épidermiques est mis en évidence par la présence, de manière sporadique, de quelques kératinocytes basaux K5/K14-positifs après culture à confluence de ces lignées. De plus, à l’instar du développement embryonnaire [4], nous montrons que l’expression exogène de l’isoforme TAp63 dans ces cellules les engage dans un processus de différenciation en kératinocytes K5/K14 (données non publiées).
Reconstitution d'un Épiderme Fonctionnel In Vitro
Pour tester la fonctionnalité des kératinocytes néo-formés à partir des cellules ES, les cellules ES cultivées 8 jours sur une matrice inductrice en présence de BMP-4 ont été ensemencées sur une membrane inerte acellulaire constituée de polyester de cellulose. Après 8 jours en immersion suivis de 15 jours en interface air-liquide, des coupes en cryostat ont été préparées et révélées par coloration HES. L’histologie de cet épiderme montre une architecture très similaire à celle obtenue à partir de peau fœtale de souris [19, 20]. L’étude par immunofluorescence confirme les données histologiques : on identifie parfaitement la couche basale positive pour la cytokératine 14 alors que les autres couches granuleuses et cornées expriment comme attendu la cytokératine 10, la profilagrine et la cornéodesmine. De plus les partenaires constituant les structures d’ancrage des kératinocytes basaux à la membrane basale sont présents et la présence d’hémidesmosomes est confirmée par microscopie électronique. De manière remarquable, on retrouve sous l’épiderme une assise de cellules différenciées qui produit et dépose dans la lame basale des constituants typiques du fibroblaste, tels que la laminine-1 et le nidogène [19, 20].
Le dépôt de cellules ES engagées dans la voie kératinocytaire permet ainsi de reproduire, sur membrane inerte, une architecture proche d’une peau physiologique avec un épiderme stratifié reposant sur un derme sous-jacent. Puisque seules des cellules ES en cours de différenciation ont été déposées sur la membrane de polyester de cellulose, nos résultats démontrent que les conditions de culture utilisées ont été favorables non seulement à l’engagement épidermique mais également à la différenciation fibroblastique. Ce résultat confirme la conservation in vitro de l’étroit dialogue entre l’ectoderme et le derme pour la formation, au cours de l’embryogenèse, de ces deux tissus.
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